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关键词： 瓦斯扩散   瓦斯解吸   深部煤层   扩散系数   应力  

摘要： 煤矿瓦斯是赋存于煤层中与煤伴生、以甲烷为主要成分的清洁能源,瓦斯的高效利用可产生安全、能源、环境三重效益。随着煤炭资源开采深度的增加,煤层所处的外部环境因素如地应力、地层温度及煤层自身属性如煤层瓦斯压力等发生了极大改变,这些变化对煤层瓦斯运移规律与瓦斯扩散特性产生显著影响。因此掌握不同温度-应力条件下瓦斯扩散动力学特性及其影响机制对煤层气资源开发及灾害防治有重要意义。本文以临涣煤矿7煤层煤体为研究对象,采用实验测试、理论分析及数值模拟的方法,分析了不同温度-应力条件下的瓦斯扩散动力学特性及影响机制、构建了适用于不同温度-应力环境条件的瓦斯运移耦合模型,得出主要结论如下:(1)采用光学观测法与流体侵入法结合的方式表征了煤体的孔裂隙结构。开展不同温度条件下低压段瓦斯吸附能力测定,计算对应实验条件下的瓦斯极限解吸量。同时引入指数因子修正Langmuir参数,利用修正公式能够推算不同温度、压力条件下的极限吸附量和极限解吸量。(2)由于无应力环境瓦斯运移路径的差异,选取了球型、圆柱型基质单元,分别建立了相应的扩散模型。在无应力环境下,经典单孔模型不能准确描述瓦斯解吸全过程,引入时变扩散系数修正经典单孔模型,取得良好拟合效果。应力环境条件下的煤体瓦斯解吸过程解吸速率稳定,采用简化圆柱型扩散模型可以准确地描述扩散过程。结合模拟结果分析模型适用性认为,利用实测数据计算的扩散系数为考虑渗流过程的表观扩散系数,随应力增加,渗流效应对表观扩散系数影响减小,当应力增加至中高应力时,可近似认为表观扩散系数等于有效扩散系数。(3)利用高应力煤体瓦斯扩散测试装置开展不同温度、应力、瓦斯压力条件下煤体瓦斯解吸实验,通过解吸量、解吸率、扩散系数等特征参数对比不同条件下瓦斯扩散动力学特性差异。结果表明:瓦斯有效扩散系数随环境温度提高呈指数函数型增长,其变化过程可用阿伦尼乌斯公式描述;随瓦斯压力增加呈线性增长,随应力提高呈指数型下降。开展了无应力环境瓦斯解吸实验,实验结果表明,煤体复杂的孔裂隙结构对瓦斯解吸规律产生极大影响。(4)通过分析不同温度、应力、瓦斯压力变化对气体分子及对煤体物理结构的影响探究了其对瓦斯扩散影响机制:温度提高引发的气体分子能量提高,是温度促进扩散过程的关键因素;瓦斯压力提高增强了气体分子活化能力、减小煤体所受有效应力并导致基质吸附膨胀变形,以上因素综合作用影响扩散过程;应力提高压缩煤体孔裂隙空间,进而影响扩散过程。(5)通过煤体变形方程、气体流动方程、温度依赖的瓦斯扩散系数方程及煤体渗透率演化规律,构建适用于不同温度-应力环境条件的瓦斯运移耦合模型。通过模拟结果与实验结果的对比验证了模型的准确性,并据此分析了地应力是影响扩散过程的主控因素,瓦斯扩散过程对环境温度及瓦斯压力的敏感性随应力提高降低。对于深部煤层,对煤层卸压、提高煤层渗透率是提高抽采效率的最佳方式。对于卸压后煤层,注热可显著促进瓦斯扩散过程,提高瓦斯采收率。该论文有图53幅,表16个,参考文献100篇。

关键词： 腐蚀   交叉斜材   应力   输电塔——线体系   地震响应  

摘要： 电力是一个国家的发展基础,社会的发展离不开电力的供给,保障电力资源正常的传输离不开输电塔,输电塔是输电和变电系统中非常重要的结构装置。输电塔——线体系属于高耸结构,高度由几十米到上百米不等。输电塔在常年恶劣的服役环境中,组成输电塔的角钢以及输电线会因为环境的侵蚀而出现腐蚀的情况,并且由于我国作为地震灾害最为严重的国家之一,输电塔在地震的作用下,极易发生倒塌的现象。本文分别考虑了具有腐蚀缺陷的输电塔及塔线体系,并对该类型输电塔及塔线体系在地震作用下的动力学响应进行了研究,为输电塔防倒塌措施提供参考,具有一定的工程意义。主要内容如下:(1)首先确定了常见角钢的腐蚀类型,对等边角钢及不等边角钢组成的交叉斜材进行了承载力的研究,找出了对角钢力学性能影响最为严重的一种腐蚀类型。结果表明,孔状锈蚀对交叉斜材力学性能影响最为严重,同时发现尽管很小的蚀孔半径,也能造成角钢内部严重的应力集中现象。并且在不同角钢布置情况时,以局部区域性锈蚀为腐蚀工况,发现尽管角钢的布置情况不同,但最大应力无明显区别。(2)建立了输电塔及塔线体系模型,利用Python程序进行导地线的找形工作,并自动生成导地线模型,研究不同方向下的地震激励对输电塔及塔线体系结构的影响,以及在地震作用下的响应规律,并在这一过程中比较单塔及塔线体系薄弱构件位置的差异性。结果表明,地震波以Y向及双向输入时,输电塔及塔线体系的应力值大于X向。塔线体系薄弱构件的位置与单塔不同,并且应力时程曲线峰值相差不大,稍大于单塔应力值。(3)在分别考虑输电塔斜材腐蚀、输电线腐蚀情况下,研究了输电塔及塔线体系的地震响应,结果表明,只考虑输电塔斜材具有孔状锈蚀情况时,其腐蚀位置应力值随着蚀孔半径的增大也持续增大;而只考虑输电线具有腐蚀坑的情况时,腐蚀坑的宽度对输电线的安全使用影响更大。

关键词： 打入桩   砂土   高性能离散元模拟   颗粒优化方法   应力场   位移场   应变场  

摘要： 近年来,随着我国海洋资源开发与利用战略的不断推进,包括海洋平台、海上风力发电机、跨海大桥在内的各种近海结构物建设方兴未艾。打入桩作为各类结构物主要的承重构件,其竖向承载力是保障结构物设计安全以及性能稳定的关键。此外,由于海洋桩基存在竖向载荷普遍较大且周围环境复杂等特点,因此通过类似陆地桩基的静载试验确定其竖向承载力可行性较差。相较于传统的打入桩设计方法,基于原位静力触探试验(CPT)的桩基设计方法将打桩过程中各种复杂因素,如桩周土应力场变化等考虑在内,因此对于桩基竖向承载力的预测更为准确与可靠。相较于原位试验,模型槽试验可用于分析打桩过程中土体应力、位移、应变场等的演化规律且具有边界条件可控、经济便捷等优点,因此被广泛用于研究打桩过程中桩周土力学行为与桩土作用机制。然而,模型槽试验依然存在传感器布置困难且易损坏、测量点稀少且精度难以保证等缺点,而采用离散元(DEM)数值模拟可全面获取沉桩过程中全时空域数据,呈现土体应力、位移、应变演化全过程,帮助揭示桩土作用的微观力学机制,为建立更合理的打入桩设计方法提供参考。本研究使用GPU加速高性能三维DEM程序MUSEN,对砂土中的桩打入过程进行模拟。主要研究工作及成果如下:1.开展了常规三轴压缩试验的DEM模拟并与文献中模型槽试验所用枫丹白露砂的三轴剪切峰值摩擦角和剪胀特性进行对比,验证了DEM模型参数的取值合理性。2.结合轴对称模型及颗粒优化方法(PRM)建立三维DEM模型槽,开展砂土中闭口桩单调压入的沉桩过程模拟,通过分析桩尖阻力演化曲线,验证了数值结果的可靠性,表明本文采用的轴对称模型和PRM可有效降低DEM打桩模拟中的尺寸和边界效应,保证计算精度的同时大幅缩减了颗粒数并提高了计算效率。3.对打桩过程中桩周土体应力演化进行深入探究,印证了近桩处土单元在桩刺入过程中经历了加卸载的应力滞回圈。此外,本研究补充了近桩处模型槽试验数据,发现不同位置处土单元应力水平及主应力方向存在较大差异,其中桩尖附近存在明显的应力集中现象且应力在空间上的分布存在h/R效应和r/R效应。4.根据沉桩过程中位移场的形态可将近桩处土体分为竖向压缩区、过渡区、径向压缩区,土体最大位移发生在过渡区,桩下方土体主要受到竖向压缩且在桩端处存在应变集中,桩侧土体主要受径向压缩且在桩肩处存在应变集中。

关键词： 选区激光熔化   有限元方法   尺寸精度   温度场   应力场  

摘要： 由于选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)可以制造复杂结构的GH4169合金金属零件,所以受到越来越多的关注。然而,在SLM成形过程中会存在较大的温度梯度和冷却速率,从而使成形件内部产生较大的残余应力和变形,影响成形件的质量。因此,本文利用有限元方法模拟了单激光和多激光SLM成形GH4169的工艺过程,研究了扫描策略对温度场、应力场和变形场的影响。本文的主要工作如下:(1)利用有限元方法研究了工艺参数对单激光SLM成形圆孔结构尺寸精度和热应力的影响,并与实验结果进行了对比验证。首先,使用Slic3r软件对圆孔结构CAD模型进行切片并生成具有扫描间距、激光功率、层厚度、停留时间和扫描速度等信息的G代码,然后把G代码转化为一系列SLM工艺文件,并用于有限元模型的计算。研究结果表明:随着激光功率的上升和扫描速度的增加,圆孔的尺寸精度是先上升后下降,最佳的工艺参数是激光功率为300 W,扫描速度为1200 mm/s,且模拟结果与实验结果较好的吻合。此外,模拟结果还表明了在67°旋转轮廓扫描下可以得到更高的尺寸精度,而基板是否预热对圆孔成形的尺寸精度影响不大。(2)在单激光SLM成形过程有限元模拟基础上,进一步研究了多种扫描策略下单激光和双激光SLM成形方块结构的温度场。结果表明:在单激光扫描策略下,随扫描层数的增加,成形件中心温度逐渐升高,熔池的宽度和深度增加。在各种扫描策略的对比中发现,单激光扫描成形过程的峰值温度最低,熔池的宽度和深度最小。而分区同时向前并向中间聚集的双激光扫描策略,其成形过程的峰值温度最高,为3023 K,层间温度增幅最大,为17.95%,熔池的宽度和深度最大。在该双激光扫描策略下,还存在最小的温度梯度、凝固速率和冷却速率。(3)基于温度场历史信息结果,采用热力间接耦合的方法,研究了单激光和双激光多种扫描策略下的应力场分布和变形情况。结果表明:在单激光扫描策略下,沿激光扫描方向的拉应力最大值明显大于垂直扫描方向的拉应力。沿构建方向的拉应力峰值出现在成形件与基板的结合处。在各种扫描策略中,随着扫描层数的增加,热应力下降。其中,分区同时向前并向中间聚集的双激光扫描策略下,Von Mises应力值最小,残余应力和变形都更加均匀。

关键词： 盾构下穿   地表沉降   应力分析   数值模拟   加固措施  

摘要： 在城市地铁隧道盾构施工时,不可避免地下穿原有的地下管线、建筑物基础、地铁车站和既有地铁隧道等相关的地下建（构）筑物。隧道盾构施工会造成土层的扰动,进而影响其相关结构的稳定性,严重时会造成既有结构的功能性损坏,从而导致事故的发生。一旦发生事故,不仅会导致地铁施工的停滞,造成经济损失,还会对城市造成极大的负面影响。本文以成都地铁17号线将要下穿既有的地铁2号线及其所属的人民公园站为工程背景,从理论分析与数值模拟两个方面对可能产生的安全风险进行前期分析与研究,达到提前预判盾构下穿过程中的工程难度及其存在的风险程度,为正式施工前提供一定的决策参考。主要的研究工作与相关研究成果如下:（1）从应力分布情况来分析,总结了17号线隧道下穿车站与既有线路区间的应力重分布状态。并通过计算表明左线隧道上方的垂直应力约为334KN/m2,右线隧道上方的垂直应力约为141KN/m2,其左线隧道开挖对地表、既有线路造成的影响大于右线隧道开挖对地表、车站造成的影响。（2）通过Midas GTS建立17号线盾构下穿既有车站与线路的模型并进行数值模拟计算。其计算结果表明盾构下穿车站与既有线路会造成破坏性的影响,其薄弱处位于既有车站与线路的连接处,所受的最大拉应力为2.7Mpa,超过了其抗拉强度的设计值1.57Mpa。既有线路的倾斜率为0.17‰,车站的倾斜率为0.3‰,车站的不均匀沉降趋势高于既有线路。对盾构下穿既有车站与线路引起的夹层土沉降进行数值模拟计算,可以得出在既有结构的相关物理学参数一定的情况下,既有结构的存在能够降低夹土层的沉降量,沉降量降低的幅度与土层与既有结构的距离成正相关的关系,其降低的范围与既有结构的宽度同样成正相关的关系。对其地表沉降进行数值模拟计算,既有车站与线路的存在能有效降低盾构施工引起的地表沉降。（3）在总结盾构下穿施工中的掘进参数、注浆加固措施及监测控制措施的基础上,对加固后的地层进行了数值模拟计算,其结果表明采取的加固措施能够有效的降低车站与线路所受的最大拉应力,其所受的最大拉应力为1.47Mpa,未超过其抗拉强度的设计值1.57Mpa,一定程度上能保证施工的安全。左、右线夹层土的沉降量有明显降低,其在加固范围的夹层土最大沉降量的下降幅度分别为86%与70%,其左、右线夹层土沉降量差异相对于加固前同样有所降低,降低幅度为76%。对土层进行注浆加固能够有效的降低夹层土的不均匀沉降。既有线路倾斜率为0.08‰,车站底板倾斜率为0.1‰,对土层进行注浆加固的防控措施能够保证其结构的整体稳定性。

关键词： 油气管道   内检测   应力   非饱和磁化  

摘要： 管道的应力集中效应会导致油气管道的失效,为能源的输送安全埋下巨大隐患。因此对管道进行定期检测和维护对预防事故发生、保障安全稳定运行具有重要意义。为了实现对管道应力集中区域的有效检测,本文在广泛调研国内外应力检测技术的基础上,总结各种管道应力无损检测的优缺点,提出一种对应力灵敏度高的非饱和局部磁化管道应力内检测方法,主要研究内容如下: (1)非饱和局部磁化应力检测原理与等效磁路模型分析研究。从磁畴磁化的微观角度结合铁磁性材料的技术磁化曲线、焦耳效应与维拉里效应对铁磁性材料进行力磁耦合分析,明确了非饱和局部磁化应力检测原理;对非饱和局部磁化应力检测探头检测油气管道进行等效磁路模型分析,获取了特征信号与应力间的解析模型。 (2)利用有限元分析方法对应力检测探头优化设计及力磁耦合分析。利用多物理场仿真软件建立有限元模型,对不同的激励电流、励磁源位置、检测芯片位置、屏蔽结构尺寸的磁感应强度信号进行分析,得到应力检测探头结构的最佳设计参数。对静拉伸应力、应力集中区域扫查模型进行力磁耦合有限元分析,获取了磁感应强度信号的变化规律。 (3)应力检测电子系统研制与静拉伸应力实验研究。依据仿真模型获得的最佳设计参数研制应力检测探头并组成应力检测电子系统。使用万能试验机进行静拉伸实验,定量研究应力与检测电压信号的特征规律,推导应力与检测电压信号的解析模型,与静拉伸应力力磁耦合有限元仿真进行验证,证明静拉伸实验的可靠性。静拉伸实验研究表明:随着拉伸应力的增大,检测电压信号线性减小。 (4)应力集中区域扫查实验研究。搭建应力集中区域扫查实验平台,使用应力集中区域扫查实验平台结合自研的应力检测探头对含应力集中区域的被测管道进行连续扫查,并使用S-G滤波器对检测电压信号进行平滑处理,研究应力与检测信号的影响规律,实现对被测管道应力集中区域的定位。应力集中区域扫查实验研究表明:在应力检测探头连续扫查被测管道的过程中,整体检测电压信号呈现凸起趋势,非应力集中区域检测电压信号为稳定基准值信号,应力集中区域的检测电压信号为峰值信号。

关键词： 超声   微泡   生物组织   有限元法   应力  

摘要： 超声场中受束微泡对生物组织的力学效应在超声溶栓、靶向药物传递等方向具有重要的医学应用。本文通过建立气泡-液体-固体多物理场耦合动力学模型,利用有限元法,研究振荡微泡与不同曲率的生物组织壁面间的相互作用,特别是微泡邻近凹面和凸面附近的两种边界作用过程。重点研究不同边界曲率、微泡初始半径、超声频率、边界组织的杨氏模量对生物组织的形变以及应力分布。 计算结果表明:无论是凹面还是凸面边界,气泡在整个的振荡过程中均会不断向壁面靠拢;对较大曲率的边界,其壁面所受空化应力越小,气泡的振荡越小,且在气泡破裂前的过程中,壁面的形变也越小;当空化气泡达到最小体积时,即微泡即将破裂时,壁面受到的应力达到最大,壁面形变也相应达到最大,凸形边界顶部呈现下陷;不论是凹面还是凸面,在气泡的振荡过程中,生物组织的中间部位均受到了相对较大应力,且在离气泡越近的组织区域,其应力分布越大,而离气泡较远的边界部位的应力相对较小,应力与相对(顶部或底部)距离呈反比;在最终坍塌阶段,高速射流形成,并向边界辐射,在气泡完全破裂前伴随短暂的冲击波。冲击波相对微射流会可能造成更大的空化损伤;在相同声参数和边界条件时,凹面受到的壁面损伤和壁面所受的最大应力均要小于凸面;在微泡初始半径和边界结构相同、超声频率为0.6-1.0MHz时,凹面和凸面的固体边界产生的形变和受到的应力均随着超声频率的增大而增大。在超声频率为1.0-1.4MHz时,壁面形变和受到的应力随着超声频率的增大而减小;在其他参数相同时,杨氏模量大的材料具有更高的抗变形能力。 本文建立了多个不同边界曲率对应的气泡-液体耦合和与液体-固体耦合的双向耦合模型,研究了各项参数下的微泡动力学行为以及壁面的损伤情况。该模型对推动超声溶栓、软组织损伤治疗等临床应用具有重要意义。

关键词： 锂电池   电化学-力耦合   数值模拟   应力分析  

摘要： 随着“碳达峰”、“碳中和”等目标的提出,全球能源布局发生了改革。在此背景下,汽车产业也步入电动化方向,从而推动了锂电池等新型电池技术的发展。然而汽车模组的机械约束会影响压力变化,进而影响使用寿命和安全性。因此,需要对模组约束和电池扩散应力的相互作用进行深入研究,而由于目前对于各参数对扩散应力的影响等很难通过实验方法获取,因此本文主要通过建立电化学与扩散应力耦合的模型对电池内部扩散应力分布以及影响因素和外部压力下电池应力分布进行研究,从实验表征、扩散机理分析、模型建立以及基于模型分析等方面展开研究,论文的主要研究内容分为以下几点: (1)首先针对本文所选某款商用三元电池搭建了电池电性能测试平台以及电池循环膨胀应力测试平台,通过对试验电池进行容量标定等基础测试获取试验电池基本性能参数,应力测试包括不同初始夹紧力和不同气压条件下的测试。 (2)根据锂离子电池内部电化学原理以及电池内部电化学与力学特性关系建立电化学-力耦合模型,通过一维模型可以分析充放电过程颗粒层面锂浓度分布以及电极层面扩散应力、应变的分布,通过电化学模型中的锂浓度场分布与力模型中应力与应变等参数进行耦合,整个模型通过COMSOL仿真软件实现。 (3)模型建立后根据与电池基本性能测试数据对比分析准确度,包括不同倍率放电试验,HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization,HPPC)试验以及动态工况试验(Dynamic stress test,DST),经过曲线误差分析,验证了模型准确度较好,可以进行下一步模型应力分析。 (4)通过对一维电化学-力耦合模型的分析得出,由于锂离子嵌入和脱出电极活性颗粒速率不一致产生的颗粒内外锂浓度差是诱导电极扩散应力的主要因素,而杨氏模量、温度、电极颗粒半径等参数对电极扩散应力有不同程度的影响。接着建立三维电化学-力耦合模型,从电池的尺度对电池内部扩散应力进行分析。

关键词： 10CrMo910   材质劣化   珠光体球化   应力分析  

摘要： 中国石化扬子石油化工有限公司芳烃厂铂重整反应器是芳烃联合装置的核心设备。江苏省特检院无锡分院对中石化扬子公司芳烃厂服役超32年、运行时间超过260000h、材料为10CrMo910的铂重整反应器进行定期检验，运用硬度检测、金相分析包括覆膜金相分析和应力分析等方法，检测发现珠光体球化级别为4级，判定该设备材质发生劣化，并且根据强度校核结合材质劣化扩展可能性进行定级。

关键词： 航空发动机   圆柱齿轮   齿轮修形   应力   振动   试验  

摘要： 通过齿轮合理修形能够改善齿轮传动接触状况及降低由几何传动误差产生的振动和噪声，减小齿轮啮入啮出干涉冲击，提高齿轮寿命。以航空发动机附件机匣渐开线圆柱齿轮为例，通过附件机匣整体仿真、离心力影响分析、轮齿热弹耦合分析，确定齿轮修形方案，有效降低了齿轮啮入及啮出位置最大等效应力。通过附件机匣振动测量试验，对比修形前后齿轮振动能量变化规律，结果表明修形后齿轮振动能量降低17%～80%，有效验证了齿轮修形效果。